可程式設計邏輯控制器（PLC）是一種面向工業控制的實時嵌入式計算機，通過專用的控制語言可以實作各類邏輯控制及流程控制。以PLC為中心，可以建構面向國防軍工、制造、軌道交通、電力、水利、市政等領域的自動化控制系統。PLC系統已經成為現代數字工業體系的“大腦”，可全面掌握各類核心工藝資料及運作資料，直接決定和保障國家工業體系、國防裝備體系安全健康運作。
1 國内PLC發展現狀
PLC問世近60年來，實作了工業控制領域繼電器接線邏輯到存儲邏輯的飛躍，功能從弱到強，實作了邏輯控制到數字控制的進步，應用領域從小到大，實作了單體裝置簡單控制到複雜運動控制、過程控制以及集散控制等各種任務的跨越。
1.1 國産PLC發展曆史
大陸PLC的研發應用從20世紀70年代開始，按照發展特點，可分為四個時期，分别為初始發展期、引進應用期、國産化發展期和深度自主化期，如圖1所示。初始發展期。大陸從20世紀70年代中期，研制了第一台具有實用價值的國産PLC，應用于工業生産控制。
該時期主要以引進消化和二次開發國外産品為主，在引進生産線方面，建立合資企業引進國外PLC生産線，如1986年引進的西門子S5系列PLC生産線，1988年建立的AB公司PLC生産線等；在引進成套裝置方面，在鋼鐵、水利等領域引進內建進口PLC的成套裝置，取代了傳統繼電器實作工藝過程的邏輯控制，如上海寶鋼一期工程中引進的200餘台PLC實作傳輸帶控制，首鋼4号高爐引進進口PLC實作上料、加料和配料控制。同時，在80年代機械工業部組織下，以北京機械工業自動化研究所為代表的科研院所開始研制第一代國産PLC，先後形成了MPC-20、MPC-85、DJK-S-480等系列産品。
圖 1 國産 PLC 發展的四個階段
引進應用期。20世紀90年代初期，國内工業自動化程度相對偏低，PLC市場容量較小，而PLC研發需投入較多的資金和人力，短期内得不到回報，部分科研院所轉向系統內建，采用進口PLC産品開展控制系統工程應用，進口PLC産品逐漸占領國内市場，德國西門子、美國AB以及其他知名品牌的PLC開始大舉進入中國市場，進口PLC市場占比高達99%。
1995年後，大陸的PLC市場形成了大型PLC以歐美為主、小型PLC以日本為主，中型PLC歐日平分秋色的格局。國産PLC的技術發展與推廣應用較為緩慢，但是PLC在國内的體系化發展逐漸得到重視，1991年成立了中國機電一體化應用協會PLC應用分會，推進PLC技術與産品開發、生産與應用等工作；1993年成立了全國工業過程測量和控制标準化技術委員會可程式設計式控制器系統标準化技術委員會SAC/TC124/SC5，建立大陸可程式設計式控制器及系統标準體系，為大陸PLC技術和産業的發展奠定了基礎。國産化發展期。
進入21世紀後，随着國内制造業的快速發展，PLC需求量猛增，部分企業看到市場機遇後開始進入該領域，研制生産國産PLC産品，在制造、非标機械、動力裝置等領域取得了規模應用。但是，該時期的國産PLC以小型PLC産品為主，缺乏核心技術，基礎零部件均采用進口産品，與國外廠商相比，産業規模都比較小。如2013年國内PLC市場規模78億元，境内企業無錫信捷憑借高成本效益小型PLC以1.6%的市場佔有率進入市場排名前十。
深度自主化期。受伊朗“震網病毒”、“棱鏡門事件”、烏克蘭電網斷電事件、美國實體清單以及國際局勢變化等因素影響，十三五期間，國家将關鍵資訊基礎設施作為網絡安全的重中之重，其控制系統PLC被納入網絡關鍵裝置進行管理，開啟了關鍵基礎設施控制系統深度國産化的征程。國内企業攻克PLC關鍵核心技術，基于國産軟硬體平台研制了自主安全PLC産品，在電力發電、軌道交通、石油石化等能源領域開展推廣應用，如2020年電子六所研制的IM30系列PLC在火電、風電、市政天然氣等領域應用，實作了關鍵基礎設施的深度國産化。
1.2 國内PLC市場現狀
随着中國制造2025的穩步推進，自動化系統需求不斷增長，作為離散控制的核心裝置，國内PLC市場規模逐年遞增，如圖2所示，從2010年60.24億元到2020年124.30億元（不含分布式IO産品的PLC市場規模為108.50億元），10年間的年平均增長率為7.51%。
圖 2 2010~2020 年國内 PLC 市場規模變化趨勢圖
按照PLC型号分析，大型PLC在10年間的市場變化不大，在11億元/年的規模上下波動，但随着泛中型化趨勢的發展，中型PLC性能不斷增強，大型PLC的部分應用場景被中型PLC取代，導緻大型PLC市場呈現出穩中有略降的趨勢。中型PLC市場穩定增長，市場規模從2010年18.89億元增加到2020年36.60億元，年平均增長率6.84%。由于電子制造裝置、锂電裝備、光伏裝備、半導體裝備、包裝機械等OEM行業細分領域需求增長快速，小型PLC市場規模在近些年大幅增加，從2010年27.33億元增長到2020年60.70億元，年平均增長率達到8.31%。
随着工業網際網路對産業鍊的垂直整合，PLC在汽車制造、電氣和電子等行業廣泛應用，國内PLC市場随着智能制造的不斷推進，未來幾年PLC市場将會保持穩定增長，預計2022年PLC市場規模将達到144.60億元。按照品牌對PLC市場規模進行分析，如圖3所示。
圖 3 2016~2020 年 PLC 廠商市場規模變化趨勢圖
西門子市場規模和增長率均遠超其他品牌，長期保持排名第一，日系的歐姆龍、三菱和美系羅克韋爾長期保持排名2~4位，前四位的排名相對穩定。随着小型PLC市場規模增加，台達和信捷的市場排名呈現上升趨勢，台達在2020年的市場排名已經進入前五。
圖 4 2020 年國内 PLC 市場佔有率占比圖
2020年大陸PLC市場規模為124.3億元，各品牌PLC市場佔有率結構如圖4（a）所示，西門子以53.1億元市場規模和43%的市場佔有率居首位，其他廠家依次為歐姆龍、三菱、羅克韋爾、台達、施耐德電氣等企業，以上廠商占有90%左右的市場佔有率。境内企業僅信捷、彙川和和利時進入排名前十。
2020年大型PLC市場規模11.20億元，占比10%；中PLC市場規模36.60億元，占比34%，小型PLC市場規模60.70億元，占比56%，如圖4（b）所示。其中大型PLC以歐美廠商為主，羅克韋爾、西門子和施耐德排名大型PLC市場前三，占據大型PLC市場76.8%的市場佔有率，如表1所示。
表 1 2020 年各品牌 PLC 市場規模情況 (億元)
中型PLC市場格局中，西門子以49.2%的市場占有率遙遙領先。歐姆龍和三菱市場規模在2.0億元以上，形成第二梯隊，共占29.2%市場佔有率。羅克韋爾和施耐德構成第三梯隊，占10%市場佔有率。小型PLC技術壁壘較低，供應商數量衆多，但前五名廠商仍然占據了74.3%的市場佔有率，呈現一大（西門子）四小（歐姆龍、三菱、台達、無錫信捷）的競争格局。總體上，國内PLC廠商在小型PLC領域具有了一定競争力，并進入了中大型PLC市場。
1.3 國産PLC産品現狀
國内PLC生産廠商已超過了40家，主要頭部企業包括信捷、彙川、和利時等，經過近些年不斷努力，國産PLC在技術、産品和市場等層面均取得了顯著成果。信捷研制的PLC包括XD/XC小型PLC、XL薄型卡片式等系列PLC，主要應用于太陽能、隧道工程、紡織機械、動力裝置、煤礦裝置、中央空調等領域的中小型控制場景。
彙川研制了高性能型H3U、通用型H2U-XP、經濟型H1U-XP等系列PLC産品，配套驅動執行類産品主要應用于電梯、空壓機、機械手、3C制造等領域。和利時研制了LE小型PLC、LK中大型PLC産品以及LKS安全性PLC産品，主要應用于包裝機械、機床等OEM裝置以及市政、隧道、軌道交通等項目型行業。除上述企業外，國内企業還研制生産了各具特色的PLC産品，如中控技術、合信、億維等。但上述企業多基于進口軟硬體研制PLC産品，在特殊時期會面臨自主保障問題，針對此問題，以電子六所為代表的企業，基于國産軟硬體平台研制了自主化PLC産品，如電子六所采用飛騰CPU處理器研制了IL40、IM30以及IS20系列自主安全PLC産品，已在國防軍工以及能源、市政等關鍵基礎設施領域取得批量應用。
雖然國産PLC取得了一定成就，但總體上呈現“小弱散”狀态。各廠商的市場規模較小，市場占有率低；産品以小型PLC為主，缺乏完整産品譜系；基于進口軟硬體産品或購買國外控制軟體研制産品，缺乏核心技術和先進控制軟體；面向行業的整體解決方案能力較弱；未形成國産PLC的技術和市場合力，與國外PLC廠商的競争力較弱。
1.4 國内PLC相關标準
國内PLC及系統等專業領域的标準化工作由全國工業過程測量控制和自動化标準化技術委員會可程式設計式控制器及系統分技術委員會（TC124/SC5）負責，中國機械工業聯合會進行業務指導。
國内的PLC相關标準主要為GB/T15969系列标準，該标準是在中國機械工業部指導下，由TC124/SC5歸口，等同采用國際标準IEC61131，于1995年首次釋出。截止到2022年，正式釋出的GB/T15969包括9部分。
其中第1部分為通用資訊，定義PLC系統的主要功能特性。第2部分為裝置要求和測試，規定PLC的要求和相關試驗。第3部分為程式設計語言，規定了PLC程式設計語言的文法和語義。第4部分為使用者導則，為PLC使用者與PLC供應商之間資訊互動提供了一些基礎規範規則。第5部分為通信，定義了PLC與其它電子系統間的通信。第6部分為功能安全，包括功能安全PLC安全生命周期管理、功能安全要求配置設定和開發規劃等。第7部分為模糊控制程式設計，定義了用于模糊控制的程式設計語言。第8部分為程式設計語言的應用，提供了在第3部分中所定義的程式設計語言的應用和實作的導則。第9部分規定了小型傳感器和執行器的單點數字通信接口。第10部分是PLC開放的XML交換格式，為GB/T15969.3項目的導出和導入指定了一種基于XML的交換格式，該标準已完成意見征求正在審查過程中。
除了GB/T15969系列标準外，在PLC功能評定、資訊安全以及工程內建等方面還制定了相關标準。GB/T36009規定了PLC的性能名額、測試和評定方法，為PLC的性能評定提供了依據。GB/T36011規定了PLC出廠前的環境适應性相關試驗的抽樣檢查方法以及外觀、IO功能、通信等例行試驗方法。GB/T37391規定了PLC成套控制裝置的使用條件、功能要求等相關規範。針對PLC的資訊安全防護能力，GB/T33008.1與正在報批的《資訊安全技術可程式設計邏輯控制器（PLC）安全技術要求和測試評價方法》規定了PLC網絡安全要求與測試方法，其中GB/T33008與GB/T33009等标準共同構成了工業自動化和控制系統網絡安全的系列标準；GB/T41274從内生安全的要求方面描述了PLC系統内生安全的目标和各單元子產品的相關安全需求。
在PLC的行業應用方面，GB/T40329規定了工業機械電氣裝置及系統中數控裝置PLC的程式設計語言專用子產品程式設計的文法和語義；GB/T37761規定了電力變壓器冷卻系統PLC控制裝置的相關要求。在國軍标方面，首個PLC國軍标《軍用可程式設計控制系統通用規範》于2020年開始拟制，目前已完成編制，處于報批階段。
1.5 國内PLC相關政策
近年來，随着歐美實體清單逐漸擴大範圍以及工業安全事件頻發，國家對工控領域的資訊技術應用創新産業高度重視，相繼出台一系列支援政策與計劃項目，實作關鍵核心技術自主化。國家對PLC的安全可控問題也極為關注，自主化、網絡安全等成為“關鍵詞”，相應政策的釋出促進了國産PLC行業的健康有序發展，部分政策見表2。
表 2 PLC 相關政策
與政策配套，國家高度重視對工控系統的科研投入，陸續在國家高技術研究發展計劃（863計劃）、國家科技重大專項（核高基）、國家重點研發計劃（網絡安全專項、制造技術與關鍵部件專項等）等重大項目中設立PLC項目，從PLC大規模系統、安全防護、安全可控等多個方向進行能力提升，推動PLC關鍵技術攻關與推廣應用，加快實作PLC産業的自立自強，部分PLC相關科技項目見表3。
表 3 PLC 相關科技計劃和重大專項
2 國内外PLC差距分析
随着國産PLC在不同領域的推廣應用，國産PLC在應用技術層面取得了一定突破，但短闆環節仍然存在，與國外PLC相比，在功能性能、易用性、可靠性等方面仍存在較大差距。
在功能性能方面，國外PLC主流廠商的高性能PLC産品通常采用定制的專用SoC和實時運作軟體，從底層平台提升指令處理、資料存儲、資料交換以及控制輸出的性能。而國産PLC産品通常借用通用資訊系統處理器和通用嵌入式系統，大多采用“通用CPU+軟體”的低性能低成本設計方案。由于通用處理器通常面向資訊化計算機和正常嵌入式系統設計，系統繁冗，基礎軟硬體的無用功能較多，且在實時性、先進控制算法等功能方面缺乏晶片與軟體的底層支援，導緻PLC專用功能研制與更新難度大，優化提升空間較小，控制效率低，性能整體偏弱。
在邏輯程式設計軟體方面，國外PLC邏輯程式設計軟體通常內建監控、驅動執行等功能，實作了工程一體化設計能力，易用性強，工程開發效率高。國産PLC邏輯程式設計軟體大多采用國外通用産品CoDeSys、KW-Software或者OpenPCS等産品的核心，隻考慮PLC自身的程式設計與開發要求，無法與其他控制系統的內建實作一體化開發，與第三方系統內建工作量大，操作複雜，易用性差，工程開發效率低。如西門子邏輯程式設計軟體博途TIAPortal內建了PLC程式設計軟體Step7、PLC仿真軟體PLCSIM以及監控軟體WinCC等，可高效配置控制點和監控點，控制變量在工程全局可用，而國産PLC與其他系統聯調則需邏輯程式設計軟體的控制變量點與監控變量點頻繁導入導出，實作與其他系統的互動和通信，工程效率較低。
在通信協定方面，國外主流廠商的PLC産品大多采用自主研發的通信協定，在完善的自主生态背景下，通過一網到底實作上層監控層與現場儀表和執行機構的相容互聯。國外廠家僅将正常協定部分形成IEC國際标準或開源代碼，而不公開面向複雜應用的協定和代碼。國内PLC廠家在自主通信網絡協定研發方面能力不足，大多直接使用IEC标準或基于開源代碼的工業現場總線。國産PLC受制于既定标準，難以修改優化協定名額，定制化開發難度大，接入執行機構需要增加轉換接口，降低了系統響應時間，經常在複雜控制應用時發現功能不足或性能不夠，導緻産品拓展性和适配性受到很大的限制。
在産品型譜方面，國外主流廠商除PLC産品外，還提供譜系完善的上下遊軟硬體自動化産品，可快速形成覆寫感覺、執行、控制、監控等核心産品的一體化解決方案。國内PLC廠商通常僅提供PLC産品，産品線單一，缺少配套的上下遊自動化産品，型譜不完善，難以提供系統級整體解決方案，在産品技術和市場競争層面均無法形成産品體系合力。國内的整體解決方案一般選用不同廠商的産品建構，産品接口與功能定義、品質标準等存在差異，産品間比對性不如國外同一廠商産品，無法從系統級優化整體性能、控制效率和可靠性，同時增加了系統設計複雜度和調試難度。同時，控制系統工程師對國産産品選型時，也難以實作一站式采購。
在标準化方面，國外PLC廠商經過幾十年積累和發展，形成了較大産業規模，在占據市場優勢情況下，主導制定了覆寫自動化系統的完善标準體系，包括控制技術、資訊安全、功能安全等國際标準或行業标準，掌握了行業話語權。目前國内雖已制定了部分PLC技術标準，但現有标準基本等效采用國外标準，缺少頂層規劃，尚未形成标準體系，且受制于國外既定技術标準，導緻國産PLC自主創新較少，無法通過标準引領技術發展，在市場競争中缺乏競争力，行業話語權弱。
3 “中國系”PLC發展思路
目前，PLC按地域可分成歐系、美系以及日系三大流派，分别在産品定位、功能性能、邏輯程式設計以及市場布局等方面具有不同特點。歐系PLC以西門子、施耐德為代表，美系PLC以羅克韋爾、通用電氣為代表，日系PLC以三菱、歐姆龍為代表。
針對國内外PLC發展存在的差距，結合國産PLC的發展現狀，本文提出“中國系”PLC發展思路。與PLC三大流派對應，“中國系”PLC是立足于國内市場和應用場景特點，基于國産自主軟硬體研制、具備原生安全能力、符合國内工程師使用習慣、滿足國内多樣化工控應用需求的國産PLC産品。
3.1 總體情況
歐系、美系和日系PLC産品的研發背景、應用需求和市場定位等具有明顯差別，導緻三系PLC具有不同的産品特點和市場分布。歐系和美系PLC以創新為主導，功能強大，以中大型PLC而聞名，産品譜系完善。歐系PLC的功能較強，程式設計方式嚴謹，易用性稍弱。美系PLC注重功能實用性，功能塊多，程式設計方式相對不複雜。
歐系和美系PLC主要應用于重大裝備和關鍵基礎設施領域，項目型市場占有率較高。日系PLC以市場為主導，以小型PLC著稱，産品內建度高，程式設計方式接近傳統電氣控制，功能一般。日系PLC主要應用于中小型機電自動化裝置，OEM市場占有率較高。“中國系”PLC則應重點面向國防軍工、關鍵基礎設施領域應用，對标歐系PLC，兼顧日系PLC經濟型強、內建度高的特點，通過重大裝備和重點領域的帶動作用，建立國産PLC生态，然後逐漸向其他領域推廣。
3.2 市場情況
在市場分布角度，對于整體市場規模，2020年歐系PLC占比約47.4%，市場規模最大，美系PLC占比約7%，日系PLC占比約21.6%。其中，歐系和美系PLC占有中大型PLC的絕大部分市場佔有率，日系PLC在小型PLC市場保持較高的占有率。美系羅克韋爾、歐系西門子和施耐德占據大型PLC市場佔有率的76.8%。歐系西門子在中型PLC市場一支獨秀，且市場格局長期比較穩定，市場占比超過50%。日系歐姆龍、三菱和德國西門子占領了小型PLC市場佔有率的56%。從實作關鍵基礎設施深度國産化角度考慮，“中國系”PLC應先瞄準中大型PLC産品市場。
在産品價格角度，歐系和美系PLC以中大型PLC為主，功能更強大，産品附加值更高，是以價格較高。特别是美系AB品牌的PLC，日系PLC以小型PLC為主，定位于經濟型産品，成本效益高，價格相對略低。考慮目前國内基礎軟硬體的生态特點、産品名額能力以及應用場景特點，“中國系”PLC價格定位于中等，低于歐美系，略高于日系PLC産品。
在行業分布角度，歐系和美系PLC以項目型市場為主，PLC産品在控制系統的內建項目中應用，随工程整體自動化系統進行設計和實施。日系PLC以OEM市場為主，将PLC組裝到裝置中，随裝置一起批量化銷售。
歐系PLC具有完善的産品線、可靠的品質、成熟的管道網絡以及優秀的解決方案能力，幾乎在所有使用者行業中都有應用，并在電力、冶金、軌道交通、汽車制造等主要領域具有強勁的競争力和很高的市場佔有率，如在水電領域，幾乎被法國施耐德PLC壟斷。美系PLC憑借其強大的功能性能以及各行業最領先的系統內建商支援，在市政、油氣、冶金、電力、制藥和食品等等市場的具有較高的市場占有率。日系PLC憑借其突出的成本效益、不斷推陳出新的産品系列、較高的功能內建度，廣泛應用于幾乎所有用到小型PLC産品的OEM行業，包括食品機械、包裝機械、紡織機械、機床工具、電子制造裝置、暖通空調等。“中國系”PLC重點面向涉及國計民生的領域應用，包括軍用裝備、軍工制造等國防軍工領域以及電力、水利、石油石化、冶金、市政等關鍵基礎設施領域。
3.3 産品特性
歐系和美系PLC産品注重過程控制與通信控制，而日系PLC更為關注離散控制和運動控制。“中國系”PLC的中大型PLC産品偏重于過程和離散控制，小型PLC側重于運動控制。
從過程控制角度，歐系PLC支援複雜的浮點運算，模拟量精度具有優勢，實作控制邏輯程式簡單，可快速、簡便地實作閉環控制PID等算法，在過程控制領域優勢明顯。日系PLC多以整型計算為主，模拟量程式編制複雜，實作複雜控制需添加專用控制子產品，成本較高。
從運動控制角度，日系PLC通常具有專用的定位指令實作伺服控制和步進運動，更容易實作複雜的動作控制，如機械臂控制。而歐系和美系PLC缺少專用的運動控制指令，需編寫複雜的程式，且控制精度不高。
從通信能力角度，歐系和美系PLC多采用開放的工業通信協定，或提供通信協定晶片，易于接入第三方裝置。日系PLC的網絡協定通常較為封閉，僅支援本企業産品，難以接入第三方裝置。
3.4 控制邏輯程式設計
歐系和美系PLC的程式設計更接近于計算機程式設計的思維。把PLC作為一種工業化的特種計算機，PLC程式設計借鑒了計算機程式設計的通用簡易手段以及計算機資料運算的簡單方式，程式設計更為簡潔明快。歐系和美系PLC以結構化程式設計為主，層次性和結構化更為完善，具有豐富的函數塊、程式塊、組織塊，友善調用和複用，可讀性較高，易于定位故障和調試。部分歐美系PLC還支援進階語言程式設計，如C語言等，在編寫大規模控制程式時優勢明顯。但PLC的指令較為抽象，程式設計上手有一定門檻，工程師需一定的計算機基礎知識。
日系PLC具有更多的圖形化程式設計理念，資料處理上大多脫離了計算機資料處理的基本存儲區概念和格式，程式設計直覺，易于上手。日系PLC通常采用自上而下的單一縱向結構，包括主程式和子程式，層次型和結構化不強，很多程式需放在一起。PLC程式設計效率較低，結果解釋繁瑣。是以日系PLC可勝任中小型控制系統，在大型系統中程式設計調試繁瑣複雜，難以實作高效快速的程式設計和制造。“中國系”PLC則應主要參考歐美系PLC程式設計軟體的特點，并借鑒日系PLC圖形化程式設計理念，實作既能滿足複雜控制場景要求，又可以直覺程式設計群組态。
考慮國内PLC市場特點和使用者使用習慣，在産品譜系、産品特性以及産品應用等方面，“中國系”PLC基于國産軟硬體研制，對标歐系PLC産品，一是在産品譜系上，具有完善的大、中、小型PLC産品型譜，并以中大型高端PLC為主；二是在産品特性上，具有熱備備援、先進控制算法等高端功能，納秒級指令處理速度、微秒級同步精度等先進性能，滿足複雜場景應用需求；三是在産品應用上，先期發揮國防軍工、關鍵基礎設施等涉及國計民生的重點領域的帶動作用，形成一定生态後逐漸向其他領域推廣應用。
4 結論
本文綜述了國内PLC發展的四個階段，分别從市場現狀、産品現狀、标準以及國家頒布的相關政策和計劃等方面介紹了國内PLC發展現狀。然後，本文分析了國産PLC與進口PLC産品的差距，并結合國内現狀，提出了與歐系、美系、日系PLC對标的“中國系”PLC發展思路。
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